步进电动机的结构及工作原理

    4.2.2　步进电动机的结构及工作原理

    步进电机在结构上分为定子和转子两部分，现以图4-2所示的反应式三相步进电机为例加以说明。定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。

    为进一步了解步进电机的工作原理，如图4-3所示为例来说明其转动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）为0°。当A相通电时，转子1、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30°。然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30°，依此类推，定子按A→B→C→A顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30°。若改变通电顺序，按A→C→B→A使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30°。这种控制方式叫三相单三拍方式，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故实际应用中不采用单三拍工作方式。

    采用三相双三拍控制方式，即通电顺序按AB→BC→CA→AB（逆时针方向）或AC→CB→BA→AC（顺时针方向）进行，其步距角仍为30°。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。如果按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序通电，即首先A相通电，然后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同时通电，接着A相断电而B相保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依此类推，每切换一次，步进电机逆时针转过15°。如通电顺序改为A→AC→C→CB→B→BA→A，则步进电机以步距角15°顺时针旋转。这种控制方式为三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。

    实际采用的步进电机的步距角多为3°和1.5°，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。

    如图4-4所示为转子的齿距等于360°/40=9°，齿宽、齿槽各4.5°。

    

    

    图4-2　三相反应式步进电机结构

    

    

    图4-3　步进电机工作原理

    

    

    图4-4　步进电机步距角